輪作區(qū)水稻根際土壤鈣鎂離子含量、含水量和酸堿度變化趨勢

喬帥+王夢姣+鄧百萬+陳小華+彭浩+羅壯志+張選明

摘要：為保證水稻品質(zhì)并避免過度使用鈣、鎂肥對土壤膠體造成的破壞，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法對陜南水稻—油菜輪作區(qū)的不同水稻品系在其不同生長時期的根際土壤中鈣、鎂含量進行分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，在輪作區(qū)4個采樣地（安康市及漢中市的城固縣、漢臺區(qū)、寧強縣）不同品種水稻根際土壤鈣元素含量都隨水稻生長發(fā)育過程的進行而逐漸升高（含量范圍分別為1 303.5～5 040.5、2 541.1～6 517.3、2 600.0～4 194.7、1 664.0～5 265.8 mg/kg），而鎂元素含量隨著水稻生長發(fā)育過程的進行先升高后降低（含量范圍分別為6 101.3～30 021.3、10 382.7～13 738.4、9 956.3～10 490.1、8 583.5～10 140.0 mg/kg）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)的根際土壤中所含的鈣、鎂元素含量均能滿足水稻生長發(fā)育需求，不用另外施加肥料。土壤含水量隨水稻生長過程逐漸增加，增幅甚至超過50%[安康K優(yōu)082孕穗期土壤含水量（63.08±2.69）%，城固K優(yōu)082孕穗期土壤含水量（54.18±2.11）%]，符合水稻生長特點。土壤酸堿性測定結(jié)果表明，安康地區(qū)土壤偏弱酸性（pH值5.5～6.5），城固、漢臺地區(qū)土壤偏中性（pH值6.5～7.5），寧強地區(qū)土壤酸堿性跨度較大（pH值5.5～7.5），但均適合水稻生長。

關(guān)鍵詞：水稻根際土壤；鈣離子；鎂離子；土壤流失；土壤含水量；土壤酸堿度；土壤肢體

中圖分類號： S153.6+1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0284-05

鈣、鎂離子均對水稻的生長發(fā)育具有重要作用，其中的鈣元素是水稻必需的營養(yǎng)元素，能夠穩(wěn)定植物細胞膜、細胞壁，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)陰陽離子平衡[1-2]，水稻缺鈣會導(dǎo)致水稻根系生長差，莖和根尖的分生組織受損，根尖細胞腐爛、死亡等[3-4]。研究植物的鎂離子螯合酶的催化動力學(xué)及其作用機制，對于闡明葉綠素代謝途徑的調(diào)控、葉綠體與細胞核反向信號及葉綠體脫落酸（ABA）信號途徑具有重要意義[5]。水稻一旦發(fā)生缺鎂的狀況，其葉尖、葉緣出現(xiàn)色澤褪淡變黃，葉片下垂，穗枝?；坎粚嵙Ｔ黾樱瑢?dǎo)致減產(chǎn)[3-4]。因此，對作物適當施以鈣、鎂肥能夠幫助作物良好生長，達到高質(zhì)高產(chǎn)的目的[6]。

作物能夠直接吸收利用的鈣元素主要來源于土壤膠體表面的吸附鈣[7]；同時，作為作物利用的主要有效鎂，代換態(tài)鎂（能夠被一般代換劑代換出來的鎂元素）一般吸附在土壤膠體表面[8]。而作為植物能夠利用的鈣、鎂元素主要存在介質(zhì)土壤膠體，具有保持土壤黏度結(jié)構(gòu)、含蓄水分、保持土壤肥力等特點，在水土保持過程中起重要作用。人為改變土壤含水量、土壤酸堿性會直接影響土壤膠體表面能及膠體帶電性，使土壤膠體固有的凝集作用發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)劇烈變化，較原始土壤更易出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象。由于鈣肥的主要成分是石灰，鎂肥的主要成分是磷酸鎂銨，因此過度使用鈣、鎂肥，會破壞土壤膠體與土壤溶液及作物間的鈣、鎂平衡，改變土壤含水量、酸堿度等，直接影響土壤膠體表面能及膠體帶電性，使土壤膠體固有的凝集作用發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)劇烈變化，較原始土壤更易出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象。[HJ]

陜西省南部地區(qū)是陜西省水稻的主產(chǎn)區(qū)，也是我國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)[9]，該地區(qū)屬于長江上游水系，結(jié)合國家河水硬度分布及地方水質(zhì)硬度調(diào)查結(jié)果[10-14]可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)屬于國家水稻主產(chǎn)區(qū)中水質(zhì)較硬的地區(qū)。這就是說，該地區(qū)水稻土中可能含有較高濃度的Ca2+、Mg2+離子。同時，該地區(qū)的水稻種植方式屬于油菜—水稻輪作制耕種，這種種植方式下土壤膠體結(jié)構(gòu)與典型單季稻或雙季稻地區(qū)有明顯區(qū)別。輪作，即在同一塊田地上，有順序地在季節(jié)間或年間輪換種植不同作物或采用復(fù)種組合的一種種植方式，具有用地、養(yǎng)地的特點，能夠減少病蟲害，改善土壤膠體結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力等。輪作制耕種能夠顯著降低通過土壤侵染作物的病蟲害（如煙草的黑脛病、蠶豆根腐病、甜菜褐斑病、西瓜蔓割病等），如將感病的寄主作物與非寄主作物實行輪作，便可消滅或減少這種病菌在土壤中的數(shù)量，減輕病害。對于為害作物根部的線蟲，輪種不感蟲的作物后，可減少它們在土壤中的蟲卵數(shù)量，減輕危害。陳丹梅等在研究土壤理化生物學(xué)性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，種植模式與作物土傳真菌病害的發(fā)生密切相關(guān)，輪作種植能顯著降低作物感染病蟲害的概率[15]。此外，輪作種植方式還能使植物均衡利用土壤養(yǎng)分、調(diào)節(jié)土壤肥力，由于不同作物從土壤中吸收的養(yǎng)分數(shù)量和比例不同，不同作物輪換種植，可保證土壤養(yǎng)分的均衡利用，避免其片面消耗。

因此，本研究用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP optical emission，簡稱ICP-OES），以陜南輪作制水稻主產(chǎn)區(qū)（安康、漢中地區(qū)）的2個不同水稻品種（K優(yōu)082、先豐優(yōu)901）為材料，在其不同生長時期（五葉期、分蘗期、孕穗期）對根際土壤中鈣、鎂含量進行分析，結(jié)合土壤含水量、酸堿性數(shù)據(jù)，探討根際土壤鈣、鎂含量變化趨勢，以期為該地區(qū)合理施用鈣肥、鎂肥提供基礎(chǔ)試驗支持，同時，還能達到避免因過度使用鈣、鎂肥而使土壤產(chǎn)生不必要的水土流失現(xiàn)象。

1材料與方法

1.1采樣地概況及水稻品質(zhì)參數(shù)

本試驗在陜西南部地區(qū)水稻主要種植區(qū)安康市及漢中市的城固縣、漢臺區(qū)、寧強縣[16]進行，這些采樣地區(qū)都采取水稻—油菜輪作方式，前茬作物為油菜，試驗實施前有記錄的輪作初始年份為2005年。這4個采樣地氣候情況分別為亞熱帶大陸性季風氣候、北亞熱帶濕潤季風區(qū)、北亞熱帶濕潤季風區(qū)和暖溫帶山地濕潤季風氣候，年平均溫度分別為15.2、143、14.2、13.0 ℃，年均降水主要都集中在9月，經(jīng)度分別為109°01′E、107°13′E、106°81′E、105°60′E，緯度分別為32°42′N、32°75′N、33°12′N、32°55′N，海拔分別為260、480、520、820 m，土質(zhì)均為潴育性水稻土，灌溉水源類型分別為河水、河水、井水、泉水。土地使用的肥料均為尿素、復(fù)合肥（氮 ∶[KG-*3]磷 ∶[KG-*3]鉀=15% ∶[KG-*3]15% ∶[KG-*3]15%），分別在插秧前（水稻移栽前）、水稻分蘗前期施肥，用量為 300 kg/hm2。

K優(yōu)082為平原地區(qū)主栽水稻品種[17]，在安康、城固、漢臺、寧強4個地區(qū)的株高分別是115.6、115.6、115.6、110.6 cm，穗數(shù)分別為17.3、16.7、18.3、16.9穗/株，粒數(shù)分別為180.8、160.6、172.2、161.4粒/穗，結(jié)實率分別為843%、85.8%、86.2%、82.6%，農(nóng)作方式均為單季稻。先豐優(yōu)901為山區(qū)地區(qū)主栽水稻品種[17]，在安康、城固、漢臺、寧強4個地區(qū)的株高分別是118.3、111.2、117.5、112.4 cm，穗數(shù)分別為18.1、17.4、16.8、16.2穗/株，粒數(shù)分別為182.5、170.0、182.4、169.1粒/穗，結(jié)實率分別為86.9%、84.7%、82.3%、80.7%，農(nóng)作方式均為單季稻—油菜輪作。

1.2試驗方法

1.2.1樣品采集本試驗前茬作物為油菜，試驗采集土樣時間為2015年4月至8月，具體采樣時間：安康地區(qū)，4月1日播種，5月13日插秧，5月25日收集5葉期土壤樣品，7月2日收集分蘗期土壤樣品，7月24日收集孕穗期土壤樣品；城固地區(qū)，4月10日播種，5月29日插秧，6月5日收集5葉期土壤樣品，7月7日收集分蘗期土壤樣品，7月26日收集孕穗期土壤樣品；漢臺地區(qū)，4月13日播種，5月26日插秧，6月3日收集5葉期土壤樣品，7月6日收集分蘗期土壤樣品，7月23日收集孕穗期土壤樣品；寧強地區(qū)，4月17日播種，5月27日插秧，6月7日收集5葉期土壤樣品，7月9日收集分蘗期土壤樣品，7月25日收集孕穗期土壤樣品。

采用5點采樣法進行土壤樣品采集，將水稻根系從土壤中挖出，用抖落法[18]抖掉與根系松散結(jié)合的土體，然后將土壤連帶植物組織包裹帶回實驗室后進行充分混勻。將同一塊試驗田的沒有種植水稻的土壤部分，取5～20 cm土壤，去除表面植被、沙石等，帶回實驗室后過2 mm篩，充分混勻后作為對照土壤進行試驗。

1.2.2土壤含水量待每次土壤樣品采集并充分混勻后，稱取10 g土壤，記下準確的質(zhì)量（g），于105 ℃烘干直至恒質(zhì)量（2次稱質(zhì)量相差不大于3 mg），冷卻并稱質(zhì)量，記錄每個樣品的質(zhì)量（g），設(shè)置3個重復(fù)，并計算標準差。土壤的含水量計算公式：

[JZ]含水量=（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/濕土質(zhì)量×100%。

1.2.3土壤pH值測定方法稱取過20目篩的風干土壤 10 g，置于100 mL燒杯中；用容量瓶量取50 mL蒸餾水，加入燒杯中（土 ∶[KG-*3]水=1 ∶[KG-*3]5）后用玻璃棒攪拌約1 min，靜置0.5 h左右，澄清；插入pH計（上海精科PHS-3C）的電極球至懸液面下，待pH計讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄pH值。測定5個樣品后，用pH值標準溶液校正1次。

1.2.4電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定土壤中鈣鎂離子含量

1.2.4.1儀器與試劑主要儀器為電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）PE Optima8000，萬分之一天平，烘箱等；主要試劑為硝酸、高氯酸、氫氟酸、超純水等。

1.2.4.2樣品消解（濕法消解）準確稱取0.250 0～0.250 9 g 土至坩堝中，加入10 mL混酸（硝酸 ∶[KG-*3]高氯酸=9 ∶[KG-*3]1），靜置過夜后加熱消化，同時加入氫氟酸至溶液呈無色透明或略帶黃色且殘留量不超過1 mL，冷卻并定容至26 mL，混勻待測，設(shè)置3個重復(fù)。

1.2.4.3標準曲線繪制準確吸取5.00 mL鈣、鎂單元素標準溶液（100 mg/L）置于50 mL容量瓶中，用2%硝酸溶液稀釋至刻度，混勻，配制成混合標準使用液。此溶液1 mL相當于0.01 mg鈣、鎂，將該混合標準使用液逐級稀釋成不同濃度系列的標準溶液（稀釋后濃度分別為0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、1、2、10 mg/L），待測。

1.2.4.4樣品數(shù)據(jù)處理設(shè)定好儀器參數(shù)后，對每個樣品的3個重復(fù)均進行測定后求取平均值，用柱狀圖進行比較，柱狀圖上的誤差線反映的是3個重復(fù)的標準誤差，并用星號（*）表示顯著性（“*”表示差異顯著，P<0.05；“*[KG-*3]*”表示差異極顯著，P<0.01）。

2結(jié)果與分析

2.1鈣離子變化趨勢分析

由圖1可見，安康、城固、漢臺、寧強4個地區(qū)水稻根際土壤鈣含量范圍分別為1 303.5～5 040.5、2 541.1～6 517.3、2 600.0～4 194.7、1 664.0～5 265.8 mg/kg。通過分析發(fā)現(xiàn)，與5葉期相比，安康、寧強采樣地的K優(yōu)082、先豐優(yōu)901這2個水稻品種的根際土壤鈣元素含量隨水稻生長發(fā)育顯著升高，分蘗期、孕穗期鈣元素含量都極顯著增加（圖1-A、圖1-D）。與5葉期相比，城固采樣地2個水稻品種的根際土壤鈣元素含量隨水稻生長發(fā)育逐漸升高，K優(yōu)082根際土壤分蘗期鈣元素含量增加不明顯，孕穗期鈣元素含量極顯著增加；先豐優(yōu)901根際土壤分蘗期鈣元素含量顯著增加，孕穗期含量呈極顯著增加（圖1-B）。與5葉期相比，漢臺采樣地2個水稻品種的根際土壤鈣元素含量隨水稻生長發(fā)育顯著升高，K優(yōu)082根際土壤分蘗期鈣元素含量顯著增加，孕穗期含量極顯著增加；先豐優(yōu)901根際土壤分蘗期、孕穗期的含量都極顯著增加（圖1-C）。

可以看出，這4個采樣點的2個品種水稻根際土壤的鈣元素含量都隨著水稻生長發(fā)育過程逐漸增加，這有可能是由于水稻在苗齡為20～25 d時會被移植到周圍有堤的水深為 5～10 cm的稻田內(nèi)，在生長季節(jié)一直浸在水中，而陜南水稻種植區(qū)水質(zhì)較硬，水中含有的鈣元素含量較高，長時間累積會導(dǎo)致水稻根際土壤中鈣元素含量的升高。[FL）]

2.2鎂離子變化趨勢分析

這4個地區(qū)水稻根際土壤鎂含量范圍分別為6 101.3～30 021.3、10 382.7～13 738.4、9 956.3～10 490.1、8 583.5～10 140.0 mg/kg。通過分析發(fā)現(xiàn)，安康、城固采樣地的K優(yōu)082、先豐優(yōu)901這2個水稻品種的根際土壤鎂元素含量隨水稻生長發(fā)育顯著升高，與5葉期相比，分蘗期、孕穗期鎂元素含量都極顯著增加，分蘗期鎂元素含量最高（圖2-A、圖2-B）。與5葉期相比，漢臺采樣地2個水稻品種的根際土壤鈣元素含量隨水稻生長發(fā)育逐漸升高，分蘗期鎂元素含量最高，K優(yōu)082根際土壤分蘗期、孕穗期含量都極顯著增加；先豐優(yōu)901孕穗期根際土壤鎂的增加呈極顯著（圖2-C）。與5葉期相比，寧強采樣地2個水稻品種的根際土壤鎂元素含量隨水稻生長發(fā)育逐漸升高，分蘗期最高，K優(yōu)082根際土壤分蘗期、孕穗期含量都極顯著增加；先豐優(yōu)901分蘗期根際土壤鎂含量極顯著增加（圖2-D）。

可以看出，這4個采樣點的2個品種水稻根際土壤的鎂元素含量都隨著水稻生長發(fā)育過程逐漸增加，但均在分蘗期達到最高值，在孕穗期鎂元素含量有一定程度的下降。這有可能是由于水稻在生長季節(jié)一直浸在水質(zhì)較硬、鈣鎂含量較高的水中，累積導(dǎo)致根際土壤的鎂元素含量升高；而隨著水稻生長發(fā)育過程的進行，大量的鎂元素被水稻根系吸收進入水稻體內(nèi)，水稻根際土壤微環(huán)境的鎂元素含量會有所下降，這就造成在孕穗期鎂含量下降。

2.3土壤含水量分析

水稻生長周期大部分都是浸泡在水里，因此，水分能夠直接影響水稻的生長發(fā)育、根系伸長等[19]；同時，土壤含水量也會直接影響土壤微生物的種類、分布及土質(zhì)類型等，進而間接影響土壤礦質(zhì)元素含量和分布。因此，對土壤含水量的分析有助于分析土壤鈣鎂離子變化趨勢的原因。

[CM（24]通過對水稻根際土壤含水量分析發(fā)現(xiàn)，由于水稻種植特

點，水稻根際土壤含水量均隨水稻的生長發(fā)育進程逐漸增加，在孕穗期土壤含水量甚至可以達到50%（表1），表明從水稻移[JP3]栽到稻田后不間斷地進行灌溉，灌溉水帶來了大量礦質(zhì)元素，這也是圖1、圖2中水稻根際鈣鎂元素含量升高的主要原因。[JP]

2.4土壤酸堿度分析

土壤pH值是土壤許多化學(xué)性質(zhì)特別是鹽基狀況的綜合反映，對土壤中微生物的活性、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與釋放、微量元素的生物有效性以及元素的遷移等均有重要影響[20]。在不同pH值條件下，土壤中鈣離子、鎂離子會以不同形式出現(xiàn)，因此，研究土壤pH值對探討鈣、鎂元素變化規(guī)律有重要作用。

研究表明，在4個采樣地的2種水稻品種的根際土壤pH值都隨著水稻生長發(fā)育過程逐漸降低（圖3），這可能是由于隨著水稻逐漸生長，其根系分泌物中有部分酸性物質(zhì)，導(dǎo)致土壤pH值的下降。同時，pH值的下降，使部分處于不溶狀態(tài)下的鈣離子、鎂離子以溶解狀態(tài)回到土壤中，這也是圖1、圖2中鈣鎂元素含量上升的一個原因。

3結(jié)論

通過研究并參考土壤肥力等級標準[21]和水稻生長時期營養(yǎng)元素需求發(fā)現(xiàn)，陜南地區(qū)水稻土壤鈣鎂肥力等級均為豐富（在水稻不同生長時期，鈣含量均大于400 mg/kg，鎂含量均大于100 mg/kg）[22]，能夠滿足水稻生長發(fā)育的需求，不需要添加外源鈣鎂肥[23]，以免造成因過度施肥引起土壤膠體結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致水土流失及土壤鹽堿化問題。土壤含水量符合

水稻生長發(fā)育過程變化。除安康地區(qū)為偏酸性水稻土（pH值為5.5～6.5），其余采樣地均為中性土壤，均適合水稻生長。

陜南地區(qū)是陜西水稻主產(chǎn)區(qū)，為保障西北水稻供應(yīng)作出了重要貢獻。本試驗利用ICP-OES法對陜南水稻主產(chǎn)區(qū)的4個采樣地的2個水稻品種在不同生長時期（5葉期、分蘗期、孕穗期）的根際土壤的鈣鎂元素變化趨勢進行了研究，結(jié)合[CM（25]土壤含水量和pH值探討了可能影響鈣鎂元素的因素，為[CM）][FL）]

[FK（W20][TPQS3.tif][FK）]

[FL（2K2]后續(xù)該地區(qū)合理施用鈣肥、鎂肥起基礎(chǔ)試驗支持，同時，還能達到避免因過度使用鈣、鎂肥而對土壤造成的不必要的水土流失現(xiàn)象。

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